Повышение безопасности трубопроводов промышленных энергетических систем с использованием численных методов механики газов и жидкостей

Актуальность проблемы. Одним из основных направлений повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) является разработка и внедрение в производственную практику компьютерных программно-математических комплексов, компьютерных симуляторов и компьютерных аналитических систем, предназначенных для всестороннего анализа и контроля состояния и режимов функционирования сетей трубопроводов [1−13, 19, 21−23, 33, 89, 105, 106, 109]. Современное развитие средств технической диагностики, усложнение режимов эксплуатации трубопроводных сетей и старение трубопроводов требуют повышения точности моделирования за счет увеличения степени адекватности математических моделей реальным физическим процессам, протекающим в трубопроводных системах, и повышения устойчивости алгоритмов их численного анализа [1,11].

Данная диссертационная работа направлена на решение одного из аспектов поставленной выше задачи, а именно — на разработку и внедрение в производственную практику предприятий ТЭК компьютерных высокоточных симуляторов нестационарных неизотермических режимов транспорта газов и жидкостей по системе длинных разветвленных трубопроводов, составляющих основу линейных частей трубопроводных сетей. Линейной частью трубопроводной сети, как правило, называют участок многониточного трубопровода, соединяющий две соседние компрессорные (нагнетательные) станции [3−5]. Данные симуляторы предназначены для повышения безопасности и эффективности эксплуатации трубопроводных сетей промышленных энергетических систем и комплексов за счет углубленного анализа физических процессов транспорта продуктов в нормальных и аварийных условиях.

Целью работы являлись разработка и реализация новых научно обоснованных методов повышения точности и эффективности компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по разветвленным многониточным линейным частям трубопроводных систем. Эти методы предназначены для анализа промышленной и пожарной безопасности производственных объектов ТЭК и снижения их вредных воздействий на окружающую среду.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан и научно обоснован новый метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации. Он предусматривает адаптацию полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб [1,11,18,107,108]. При анализе процессов течения в зоне разветвления трубопроводов используется универсальная геометрическая модель сочленения длинных трубопроводов, позволяющая с минимальными упрощениями перейти от реального сочленения к его расчетной схеме. Такой подход обеспечивает в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии) [1,13,24]. При расчетах параметров транспорта газов по линейным частям трубопроводов для повышения надежности расчетов применяются несколько разностных схем, построенных на основе интегрального метода и метода контрольного объема [110].

2. Предложен новый метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. Он предназначен для анализа последствий аварийных ситуаций на промышленных энергообъекгах, включая пожары. В процессе эксплуатации компьютерный симулятор в режиме реального времени получает от SCADA-системы данные о параметрах транспорта газовых и жидкостных смесей [20]. По результатам работы симулятора с высокой (с точки зрения практического применения) точностью численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована новая компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и исследования механизмов аварий на газопроводах ТЭК. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге численного анализа выступают в качестве управляемых переменных вспомогательной задачи математической идентификации численной газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Решение вспомогательной идентификационной задачи считается найденным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения газодинамических моделей сегментов трубопроводной сети становится меньше некоторой наперед заданной малой константы.

4. С помощью разработанных методов и компьютерной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К новым результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятий и горячей воды по тепловым сетям ТЭС и энергообъекговрасчетные сценарии реальных аварий на магистральных газопроводах для установления причин их возникновения.

Практическая ценность работы. Выносимые на защиту методы и компьютерная технология реализованы в виде программно-математических комплексов «CorNet» и «AMADEUS», предназначенных для повышения безопасности и эффективности трубопроводных систем ТЭК [21−33]. Эти комплексы активно используются для решения практических задач, возникающих при проектировании, эксплуатации и реконструкции трубопроводов энергетических систем и комплексов, как в России, так и за рубежом. Так, например, на их базе разработана комплексная компьютерная аналитическая система «AMADEUS», которая в декабре 2002 года была сдана в производственную эксплуатацию в международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия) в качестве инструмента для обеспечения требований безопасности, экономической эффективности и экологии на данном предприятии [10,11,13] (см. Приложение 6).

С помощью программно-математического комплекса «CorNet» установлены причины и механизмы развития свыше десяти аварий (см., например, [1,34,35]). Он успешно применялся при решении задач ОАО «ГАЗПРОМ», Минатома РФ, Госгортехнадзора РФ, Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG», Сандийских национальных лабораторий (США), Фраунгоферовского института неразрушающего контроля (Германия) и др. (см., например, [1,13,27,30,31,36]).

Достоверность изложенных в диссертации основных научных положений обеспечивается [13,28,29]:

• научным обоснованием использования современных методов вычислительной механики газов и жидкостей для решения задач повышения безопасности и экологичности объектов ТЭК;

• научным обоснованием адекватности применяемых математических моделей моделируемым реальным объектам и процессам;

• научным обоснованием применимости и эффективности методов численного анализа разработанных моделей;

• результатами натурных и численных экспериментов;

• многолетней практикой успешного применения рассматриваемых в диссертации методов на реальных объектах ТЭК как в России, так и за рубежом.

Предлагаемые новые методы и результаты их применения, направленные на повышение безопасности объектов трубопроводных систем ТЭК, выносятся на защиту в виде основных научных положений диссертации, принадлежащих лично автору диссертации:

1) метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по разветвленным протяженным многониточным линейным частям промышленных трубопроводных сетей, предназначенный для подробного анализа режимов транспорта газов в энергетических системах и комплексах при нормальных и аварийных условиях эксплуатации;

2) метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по линейным многониточным частям трубопроводных систем;

3) компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации, предназначенная для предупреждения и анализа механизмов аварий на газопроводах ТЭК;

4) результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции объектов трубопроводных систем ТЭК, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах.

Благодарности. Автор диссертации выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, заместителю главного конструктора ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» — начальнику отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», доценту доктору технических наук Селезневу Вадиму Евгеньевичу за постоянное внимание к работам автора диссертации, поддержку, консультации, научное руководство и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.

Автор диссертации выражает признательность главному конструктору ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», директору Научно-производственного комплекса ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» Клишину Геннадию Семеновичу и заместителю начальника отделения ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», кандидату технических наук Алешину Владимиру Васильевичу за научные консультации по теме диссертации и поддержку его научных исследований и разработок.

Автор выражает благодарность руководству и сотрудникам кафедр ТЭС и ИТФ МЭИ (ТУ) за внимание к его работе и научные дискуссии по теме диссертации.

Автор благодарит за научные дискуссии по теме диссертации своих иностранных коллег из Математического института Словацкой Академии Наук, Братиславского государственного университета им. Комениуса и Международной газотранспортной компании SPP-DSTG.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своим коллегам Киселеву Владимиру Владимировичу, Бойченко Александру Леонидовичу, Фотину Сергею Валентиновичу, Мотлохову Владиславу Владимировичу, Комиссарову Алексею Сергеевичу и Зеленской Оксане Ивановне за сотрудничество и поддержку. список основных ИСПОЛЬЗУЕМЫХ.

СОКРАЩЕНИЙ.

АВО — аппарат воздушного охлаждения;

АЭС — атомная электростанция;

ВПУ — водоподготовительные устройства;

ГДС — высокоточный компьютерный газодинамический симулятор режимов транспорта природного газа через трубопроводные сети газотранспортных предприятий (или фрагменты трубопроводных сетей газотранспортных предприятий) — ГИС — географическая информационная системаГПА — газоперекачивающий агрегат на КС (КЦ) — ГРС — газораспределительная станцияГС — гидравлический симуляторГУ — граничные условия;

КС — компрессорная газоперекачивающая станцияКЦ — компрессорный газоперекачивающий цехЛЧМГ-линейная часть магистральных газопроводовМГмагистральный газопроводМКР — метод конечных разностейМКЭ — метод конечных элементовМСС — механика сплошных средПУ — пылеуловитель;

СНАУ — система нелинейных алгебраических уравненийСОДУ — система обыкновенных дифференциальных уравненийСУБД — система управления базами данныхТГ — технологические газопроводы на КС (КЦ) — ПТС — предприятие тепловых сетей;

ТЭК — топливно-энергетический комплексТЭС — тепловая электростанцияУРС — уравнение состояния;

ЦВТМ — Центр вычислительных технологий механики ООО «НПО.

ВНИИЭФ-ВОЛГОГАЗ" — ЦН — центробежный нагнетатель ГПАЭП — электрический силовой привод ГПА;

SCADA-система — (Supervisory Control And Data Acquisition) — система.

Символьные обозначения, применяемые в формулах, оговариваются особо в каждой Главе диссертации.

ВЫВОДЫ.

1. Для повышения безопасности функционирования сложных трубопроводных сетей промышленных энергетических комплексов и систем разработан, научно обоснован и верифицирован на тестовых и производственных задачах новый метод компьютерной оценки параметров неизотермических нестационарных процессов транспорта гомогенных химически инертных вязких газовых смесей по протяженным разветвленным многониточным линейным частям промышленных трубопроводов. Данный метод базируется на адаптации полной системы уравнений газовой динамики к описанию течений по длинным разветвленным трубам с учетом работы запорно-вентильной арматуры и возможных образований течей и гильотинных разрывов труб. При анализе неустановившихся течений по разветвленным трубопроводам используется универсальная (с точки зрения построения исходных дифференциальных уравнений в частных производных и их разностных аналогов) геометрическая модель сочленения длинных трубопроводов. Она позволяет с минимальными упрощениями перейти от реального сочленения к его расчетной схеме, обеспечивающей в зоне сочленения трубопроводов аппроксимацию трех основных законов сохранения (массы, импульса и энергии).

2. Предложен новый метод повышения точности оценки количества газовых смесей и сопутствующих жидких фракций, выбрасываемых в окружающую среду при разрывах промышленных газопроводов ТЭК, с использованием компьютерных симуляторов транспорта газов и жидкостей по многониточным линейным частям трубопроводных систем. По результатам работы симулятора численно определяется временная табличная функция изменения массовых расходов транспортируемых продуктов в зоне разрыва трубопровода. Интегрирование данной функции по времени позволяет описать зависимость изменения количества выброшенного в окружающую среду продукта в процессе аварии.

3. Впервые разработана и научно обоснована компьютерная технология анализа нестационарных режимов транспорта газа через газотранспортную систему промышленного энергообъекта в результате постановки и решения вспомогательной задачи математической идентификации. Технология предполагает организацию итеративной процедуры, при которой физические условия сопряжения на границах соседних сегментов трубопроводной сети на каждом временном шаге выступают в качестве управляемых переменных задачи идентификации газодинамической модели реальному процессу транспорта газа по промышленной трубопроводной системе. Шаг технологии считается выполненным, если модуль разности расчетных оценок давлений газа справа и слева от зоны сопряжения сегментов трубопроводной сети становится меньше наперед заданной малой константы.

4. Для анализа адекватности описанных в диссертации методов и компьютерной технологии были проведены сравнения расчетных оценок и результатов натурных измерений основных параметров динамических режимов транспорта природного газа (давление, температура, массовый расход) для всех участков ЛЧМГ Международной газотранспортной компании «SPP-DSTG» (Словакия). Сравнения выполнялись для 35 временных интервалов (длительность каждого интервала — 24 часа) с наиболее интенсивными изменениями давления и массового расхода транспортируемого газа по всей длине трубопроводной сети газотранспортного предприятия ТЭК. По результатам сравнения были получены следующие данные.

Максимальные отклонения расчетных данных по давлению от показаний датчиков не превышает 2,8% (0,19М7Д по абсолютному значению). Для 93% узлов измерения относительная погрешность не превышала 1,7% (0,12М7а). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков давления, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими SCADA-системами, составляет ±0,05М7а.

Максимальные отклонения расчетных данных по температуре от показаний датчиков не превышает 1,1% (3,2К по абсолютному значению). Для 90% узлов измерения относительная погрешность не превышала 0,67% (1,9К). Полученные погрешности близки к реальной погрешности датчиков температур, которая, по опыту работы специалистов российской газовой промышленности с российскими SCADA-системами, составляет ±-0,7К.

Максимальные отклонения расчетных данных по массовому расходу транспортируемого газа от показаний датчиков не превышает 6,3% (94,0кг/с по абсолютному значению).

5. С помощью разработанных методов и компьютерной технологии получены новые результаты, расширяющие и углубляющие представления о функционировании, возможностях реконструкции энергообъектов, причинах возникновения и механизмах протекания аварий в трубопроводных системах. К таким результатам относятся: расчетные оценки параметров безопасных динамических режимов транспорта природного газа по сетям газотранспортных предприятийрасчетные оценки параметров режимов транспорта горячей воды по тепловым сетям электростанциирасчетные сценарии аварий на магистральных газопроводах.

6. В работе показано существенное влияние конкретных уравнений состояния, применяемых в компьютерных симуляторах, на точность получаемых оценок параметров течений по трубопроводным сетям энергообъекгов. Поэтому для обеспечения корректности решения современных задач повышения безопасности транспорта газов по трубопроводам ТЭК необходимо уделять серьезное внимание выбору уравнений состояния транспортируемых газов.